CN109640586B - 一种轻质柔性石墨导热索的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻质柔性石墨导热索的制备方法，所述导热索中间柔性段为多层柔性石墨膜叠加层，两端为多层石墨与金属焊接结构，所述方法包括以下步骤：1)对每层柔性石墨膜两端的焊接区域表面及侧面镀膜；2)对导热金属件进行预处理；3)加工锡基焊料箔材；4)装配，在柔性石墨膜两端的层间以及柔性石墨膜叠层与导热金属的装配间隙填充锡基焊料箔材；5)将装配好的石墨导热索置于真空钎焊炉内真空加热到焊料的焊接温度，得到轻质柔性石墨导热索整体焊接件。本发明方法制备的导热索的柔性石墨材料与端部金属结合强度高，耐机械振动和温度冲击性能高，性能更可靠，使用寿命更长。

Description

一种轻质柔性石墨导热索的制备方法
技术领域
本发明属于异质材料连接技术领域，具体涉及一种轻质柔性石墨导热索的制备方法。
背景技术
导热索由发热器件连接端、柔性导热段、热沉连接端构成，是目前航天领域应用最为广泛的传热部件之一。传统导热索的连接端材质通常为导热率较高的铜和铝，柔性导热段为铜或铝箔带层叠或细丝编织而成。随着我国空间技术的迅猛发展，电子设备的元器件集成度越来越高，其热耗及热流密度也成倍增加，金属导热索固有缺陷难以克服，主要体现在以下几个方面：一是如何减重；二是如何提高导热效率，三是如何进一步提高柔韧度。
目前，轻质柔性高导热石墨膜材料的问世将给导热索的应用带来变革性效应。柔性石墨膜具有强烈的定向高导热特性，平面方向热导率比厚度方向大数倍至数十倍。目前国内膜厚30μm以内的聚酰亚胺石墨膜可达到1000W/m·K以上的热导率，传统的金属导热箔材如纯铝、纯铜和纯银的导热率均低于500W/m·K，在导热率与密度比方面，轻质石墨膜具有金属导热材料无法比拟的优越性。
目前，欧洲和美国多家导热索专业公司公开的资料介绍石墨膜导热索在石墨膜/金属之间的连接通常采用机械连接的方式，即压接。石墨膜叠层体两端用有机胶黏合剂粘结，固化后插入铜或铝套管内压接成型。有机黏合剂较低的导热率与压接界面较高热阻率，实际上并没有充分发挥石墨膜平面方向高效传热的作用效果。同时，该连接方式也在一定程度上降低了石墨膜导热索的结构强度与耐热疲劳寿命。因此，急需解决石墨膜导热索与金属之间高强、高导的连接问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻质柔性石墨导热索的制备方法，具体技术方案如下：
一种轻质柔性石墨导热索，整体结构及焊接结构如附图1所示。图中1、2为传热金属，3为柔性石墨。所述导热索中间柔性段为多层柔性石墨膜叠加层，两端为多层石墨与金属焊接结构。
上述石墨导热索的制备方法包括如下步骤：
1)采用磁控溅射或真空蒸镀工艺对每层柔性石墨膜两端的焊接区域表面及侧面先后镀Ti膜、Mo膜、Ni膜；所述石墨膜长度100-300mm,宽度20mm，所述石墨膜叠加10-50层；
2)对导热金属件进行碱性除油、化学清洗，表面电镀镍处理；所述导热金属是铝合金或无氧铜；
3)在表面处理过的柔性石墨膜两端叠层之间和石墨膜叠层体与导热金属的装配间隙填充锡基焊料箔材，所述箔材厚度小于0.05mm。
4)将装配好的石墨导热索置于真空钎焊炉内，钎焊炉抽真空，将温度加热到焊料的焊接温度，保温，冷却，得到轻质柔性石墨导热索整体焊接件，所述真空是指炉内真空度优于10-3Pa·m3/s。所述保温维持在钎料焊接温度下保温，时间不超过10min，升降温速率小于30℃/min。
本发明制备的轻质柔性石墨导热索，主要特点是轻质、高导热、高强度、长寿命，具体如下：
本发明所述的导热索导热效果是铜、铝导热索的数倍，重量是铜、铝导热索的几分之一。
导热索端部连接位置石墨膜叠层之间及石墨膜叠层体与金属之间均为100％冶金结合，界面热阻小，能充分发挥柔性石墨膜平面方向高导热的传热特性。
在有限装配空间内，能够实现石墨膜装配数量的最大化，保证传热率。
导热索的柔性石墨材料与端部金属结合强度高，耐机械振动和温度冲击性能高，性能更可靠，使用寿命更长。
附图说明
图1是本发明轻质柔性石墨导热索的结构示意图。
图2是本发明轻质柔性石墨导热索的局部结构剖面图。
图3是本发明轻质柔性石墨导热索焊接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
图1是本发明轻质柔性石墨导热索的结构示意图。图中1、2为导热金属，3为柔性石墨。
图2是本发明轻质柔性石墨导热索的局部结构剖面图。
图3是本发明轻质柔性石墨导热索焊接结构示意图。
实施例1
制备铝合金作为导热金属的柔性石墨导热索
1)对石墨膜材料进行剪裁冲压，柔性段采用10层石墨膜叠加而成，柔性段长150mm，宽20mm；
2)采用磁控溅射工艺对每层柔性石墨膜两端被焊接区域表面及侧面先后镀Ti膜、Mo膜、Ni膜；
3)按要求加工铝合金零件，对其进行碱性除油、化学清洗，表面电镀镍处理；
4)将锡基钎料合金加工成超薄箔材，厚度小于0.05mm；
5)装配，采用合理工装，将10层石墨膜叠加，在石墨膜端部层间和石墨膜叠层体与铝合金接触间隙布置钎料箔材，参考图2。
6)将装配好的石墨导热索及焊接工装一同放入真空钎焊炉，抽真空，加热，在钎料焊接温度下保温，时间不超过10min，升降温速率小于30℃/min，整个过程确保炉内真空度优于10-3Pa·m3/s。
对实施例制备的铝合金端头的柔性石墨导热索进行性能测试，得到柔性石墨与铝合金界面间100％冶金结合，无裂缝、孔洞等缺陷，界面传热系数大于700W/m2·K。
实施例2
制备无氧铜作为导热金属的柔性石墨导热索
1)对石墨膜材料进行剪裁冲压，试验采用了20层石墨膜，长300mm，宽20mm；
2)采用磁控溅射工艺对每层柔性石墨膜两端被焊接区域表面及侧面先后镀Ti膜、Mo膜、Ni膜；
3)按要求加工铝合金零件，对其进行碱性除油、化学清洗，表面电镀镍处理，镍层厚度15μm以内；
4)将锡基钎料合金加工成超薄箔材，厚度在小于0.05mm；
5)装配，采用合理工装，将20层石墨膜叠加，在石墨膜端部层间和石墨膜叠层体与铝合金接触间隙布置钎料箔材，参考图3。
6)将装配好的石墨导热索及焊接工装一同放入真空钎焊炉，抽真空，加热，在钎料焊接温度下保温，时间不超过10min，升降温速率小于30℃/min，整个过程确保炉内真空度优于10-3Pa·m3/s。
对实施例制备的无氧铜端头的柔性石墨导热索进行性能测试，得到柔性石墨与铜合金界面间100％冶金结合，无裂缝、孔洞等缺陷，界面传热系数大于750W/m2·K。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种轻质柔性石墨导热索的制备方法，所述导热索中间柔性段为多层柔性石墨膜叠加层，两端为多层石墨与金属焊接结构，其特征在于，包括以下步骤：
1)对每层柔性石墨膜两端的焊接区域表面及侧面镀膜；所述石墨膜长度100-300mm,宽度20mm，所述石墨膜叠加10-50层；
2)对导热金属件进行预处理；
3)加工锡基焊料箔材；所述箔材厚度小于0.05mm；
4)装配，在柔性石墨膜两端的层间以及柔性石墨膜叠层与导热金属的装配间隙填充锡基焊料箔材；
5)将装配好的石墨导热索置于真空钎焊炉内真空加热到焊料的焊接温度，得到轻质柔性石墨导热索整体焊接件。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中所述镀膜是采用磁控溅射或真空蒸镀先后镀Ti膜、Mo膜、Ni膜。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2)中所述导热金属是铝合金或无氧铜。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2)中所述预处理包括碱性除油、化学清洗，表面电镀镍处理。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤5)中所述真空是指炉内真空度优于10- 3Pa·m3/s。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤5)后还包括保温和冷却步骤，其中保温维持在钎料焊接温度下保温，时间不超过10min，升降温速率小于30℃/min。
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